金屬增材制造格柵零件磨粒流拋光

高航， 李世寵， 付有志， 魏海波， 彭燦， 王宣平

大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024

金屬增材制造格柵零件磨粒流拋光

高航*， 李世寵， 付有志， 魏海波， 彭燦， 王宣平

大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024

增材制造(AM)技術(shù)對(duì)成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件有顯著優(yōu)勢(shì)，但以選區(qū)激光熔融技術(shù)為代表的金屬增材制造技術(shù)固有的“粉末粘附”、“球化效應(yīng)”所導(dǎo)致的毛糙表面，使零件難以滿足使用要求。采用混合粒徑磨料介質(zhì)對(duì)增材制造鋁合金格柵外表面及細(xì)小內(nèi)孔進(jìn)行一體化拋光試驗(yàn)研究。通過分析磨粒流加工過程各階段的微觀形貌和表面輪廓測(cè)量結(jié)果等來研究材料去除過程中零件表面形貌、材料去除和表面粗糙度變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，磨粒流加工方法能夠有效消除“球化效應(yīng)”導(dǎo)致的零件表面的金屬球團(tuán)簇聚集現(xiàn)象，并能夠?qū)υ霾闹圃旄駯帕慵獗砻婧蛢?nèi)孔實(shí)現(xiàn)有效的拋光，格柵表面粗糙度從初始的14 μm降至1.8 μm。

增材制造(AM)；球化效應(yīng)；粉末粘附；鋁合金格柵；磨粒流加工；磨削

以選區(qū)激光熔融(Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)為代表的增材制造技術(shù)，將三維模型轉(zhuǎn)換為一系列二維模型，通過“分層制造，逐層疊加”，利用高能束激光熔化金屬粉末直接制造出實(shí)體零件。增材制造技術(shù)能夠極其顯著地縮短復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造周期，在航空航天等領(lǐng)域顯現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景[1-2]。

目前采用SLM技術(shù)成型零件的致密度達(dá)99%以上，其力學(xué)性能已優(yōu)于鑄件。但目前金屬增材制造零件表面粗糙度一般仍在10～50 μm 之間，而機(jī)械精加工表面粗糙度能夠達(dá)到2.5 μm以下[3-6]。增材制造技術(shù)所特有的“球化效應(yīng)”(Balling Effect)、“粉末粘附” (Powder Adhesion)等是導(dǎo)致增材制造金屬零件表面粗糙度較差的主要因素[6]。另一方面，航空航天等領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃炝慵砻娲植诙扔休^高的要求，對(duì)金屬增材制造零件的后續(xù)光整加工不可或缺[7]。

目前改善增材制造金屬零件表面質(zhì)量的拋光技術(shù)有手工拋光、砂帶/砂輪拋光、電化學(xué)拋光、磨粒流拋光等[8-10]。其中手動(dòng)拋光效率低，表面加工效果取決于操作者的技術(shù)水平，加工一致性較差，且拋光殘余金屬粉末會(huì)損害操作者健康[8]。而砂帶/砂輪磨削對(duì)于復(fù)雜內(nèi)表面的加工可達(dá)性不高，無法滿足加工要求。電化學(xué)拋光使用的化學(xué)溶液所導(dǎo)致的環(huán)境污染問題尚待解決[9]。

磨粒流加工(Abrasive Flow Machining, AFM)方法具有高加工可達(dá)性，對(duì)復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行光整加工具有顯著的優(yōu)勢(shì)[11-16]。Williams和Melton[17]采用磨粒流拋光增材制造零件，對(duì)由“階梯效應(yīng)”導(dǎo)致的粗糙表面具有良好的改善效果。Uhlmann等[18]采用磨粒流加工拋光SLM技術(shù)增材制造的葉片，研究發(fā)現(xiàn)沿流動(dòng)方向存在明顯的拋光不一致性，葉片進(jìn)排氣邊的拋光效果明顯好于葉盆及葉背中心區(qū)域，葉片型面精度丟失。Bergmann等[19]研究了磨粒流加工技術(shù)對(duì)SLM技術(shù)成型平板樣件的拋光效果，樣件表面粗糙度由Rz=53 μm降至Rz=2 μm左右，此外還驗(yàn)證了磨粒流加工技術(shù)對(duì)通孔拋光的可行性。Atzeni等[20]針對(duì)增材制造鋁合金平板樣件，研究了開敞式磨粒流加工技術(shù)中磨粒形狀、磨粒流速等對(duì)拋光效果的影響。Furumoto等[21-22]對(duì)增材制造注塑成型模具的隨形水冷流道內(nèi)表面進(jìn)行磨粒流拋光，研究了內(nèi)表面上所設(shè)計(jì)的“凸起”結(jié)構(gòu)對(duì)流道內(nèi)表面拋光的影響，發(fā)現(xiàn)“凸起”結(jié)構(gòu)改變內(nèi)流道內(nèi)磨料介質(zhì)流動(dòng)特性從而實(shí)現(xiàn)顯著改善磨粒流加工材料去除效果。

綜上，目前增材制造零件磨粒流加工研究尚未涉及增材制造零件復(fù)雜內(nèi)外表面一體化拋光、磨粒粒徑對(duì)拋光效果影響等問題。零件內(nèi)外表面一體化拋光是實(shí)現(xiàn)增材制造復(fù)雜零件磨粒流高效加工的有效途徑。本文對(duì)航空領(lǐng)域中的增材制造AlSi10Mg鋁合金群孔格柵板零件進(jìn)行磨粒流加工拋光試驗(yàn)，研究混合粒徑磨料介質(zhì)對(duì)金屬增材制造群孔零件內(nèi)外表面的一體化拋光效果，研究一體化拋光材料去除規(guī)律，探索磨粒流加工在增材制造零件內(nèi)外表面拋光加工方面的應(yīng)用。

1 增材制造格柵零件初始形貌

圖1所示為采用SLM增材制造技術(shù)制備的AlSi10Mg鋁合金矩形群孔格柵板零件，長(zhǎng)為100 mm， 寬為80 mm，其中心區(qū)域陣列分布邊長(zhǎng)為3 mm 的菱形直孔，在超景深顯微鏡(VHX-600E)下觀察其形貌，格柵表面存在大量鋁合金粉末部分熔融形成的堆積層(“球化效應(yīng)”)、直孔邊緣處有顯著的增材成型過程熔池?zé)嵊绊憛^(qū)內(nèi)“粉末粘附”所形成的粉末聚集。增材制造過程所固有的“球化效應(yīng)”和“粉末粘附”現(xiàn)象嚴(yán)重地影響了格柵零件外表面以及內(nèi)孔的表面質(zhì)量，測(cè)量零件表面粗糙度值為Sa=2～15 μm。

對(duì)于此格柵零件的表面拋光加工，不僅需要將格柵零件外表面的粉末粘附、球化層去除，同時(shí)還需將格柵孔內(nèi)表面粉末粘附、小尺寸球化等松動(dòng)層去除。

圖1 增材制造鋁合金格柵零件Fig.1 Additively manufactured aluminum alloy grille part

圖2所示是在1 000倍激光共聚焦顯微鏡下觀測(cè)的增材制造鋁合金格柵零件剖面形貌。在格柵表面存在大量具有明顯波峰波谷結(jié)構(gòu)的大尺寸球化層，其峰谷值在100 μm以上。并且，在大尺寸球化層表面附著有松動(dòng)粉末粘結(jié)層和小尺寸球化層，如圖中圓圈所示。因此，若要顯著改善格柵零件表面粗糙度，光整加工的材料去除量須大于100 μm。

圖2 鋁合金格柵零件剖面輪廓Fig.2 Cross-section profiles of aluminum alloy grille part

2 磨粒流拋光試驗(yàn)

2.1 一體化磨粒流拋光技術(shù)方案

磨粒流加工原理如圖3所示。磨粒流加工的主體由上、下兩料缸和推料活塞組成。加工過程中將待加工零件與夾具進(jìn)行裝配并置于上、下料缸間夾緊以形成密封流道，上、下兩推料活塞驅(qū)動(dòng)封閉流道中的磨料介質(zhì)往復(fù)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件表面拋光。

磨粒流加工中流道設(shè)計(jì)至關(guān)重要，為實(shí)現(xiàn)同時(shí)拋光格柵外表面以及格柵上菱形內(nèi)孔，采用如圖4所示的流道設(shè)計(jì)方案和相應(yīng)夾具，實(shí)現(xiàn)格柵零件內(nèi)外表面一體化磨粒流拋光加工。格柵零件固定于磨料介質(zhì)流動(dòng)區(qū)域并與豎直方向形成傾斜角度θ，格柵零件兩長(zhǎng)邊與夾具體接觸密封，起到定位與夾緊作用；格柵零件兩側(cè)表面與夾具內(nèi)壁之間留有流道間隙a。在磨粒流加工過程中，磨料介質(zhì)同時(shí)流經(jīng)格柵零件外表面和菱形內(nèi)孔表面，從而實(shí)現(xiàn)格柵零件內(nèi)外表面同時(shí)拋光。格柵零件的傾斜角度θ及格柵零件兩側(cè)表面與夾具內(nèi)壁之間的流道間隙a為該磨粒流加工可控工藝參數(shù)。

圖3 磨粒流加工原理Fig.3 Schematics of AFM process

圖4 磨粒流加工夾具和流道Fig.4 Fixture and flow channel for AFM process

2.2 工藝參數(shù)選擇

分別采用3種僅含單一粒徑磨粒(120目、80目和24目)的磨料介質(zhì)對(duì)格柵零件外表面的磨粒流拋光效果如圖5所示，在200倍倍率超景深顯微鏡下觀察拋光零件表面形貌，在同樣經(jīng)過50次加工循環(huán)后，采用120目磨料介質(zhì)加工的工件表面僅有輕微的材料去除、采用含80 目磨料介質(zhì)加工的工件表面材料去除稍好、采用含24 目磨料介質(zhì)加工的工件表面材料去除效果最明顯。磨粒目數(shù)越小、磨粒粒徑越大，磨料介質(zhì)對(duì)零件表面的材料去除效果越好。同時(shí)，如圖6所示，格柵上菱形內(nèi)孔邊長(zhǎng)約為3 mm，較大粒徑磨粒無法在直孔內(nèi)角處實(shí)現(xiàn)材料去除且易卡嵌在格柵直孔內(nèi)，故須采用含有較小粒徑磨粒的磨料介質(zhì)才能對(duì)于菱形直孔內(nèi)角以及菱形直孔內(nèi)表面進(jìn)行有效的拋光。綜合考慮格柵零件拋光材料去除效率、格柵內(nèi)孔加工可達(dá)性以及格柵拋光后磨料清理等因素，格柵零件一體化磨粒流加工研究采用混合粒徑磨料介質(zhì)，磨料介質(zhì)中大磨粒粒徑為24目、小磨粒粒徑為80目。

圖5 磨粒流加工中不同粒徑磨粒對(duì)增材制造零件的拋光效果對(duì)比Fig.5 Comparison of polishing effects of additively manufactured parts with abrasives of different sizes in AFM

依據(jù)質(zhì)量守恒定律及冪率剪切稀化理論[23]，磨粒流設(shè)備液壓為2.0 MPa、活塞速度為12 mm/s，流道間隙a=6 mm、格柵零件的傾斜角度θ=2° 時(shí)，流道最寬及最窄處的剪切速率值均處于102s-1量級(jí)，依圖7最低介質(zhì)黏度在允許范圍內(nèi)。

針對(duì)同一格柵零件磨粒流拋光試驗(yàn)先后分9次完成，循環(huán)次數(shù)如表1所示。

圖6 不同粒徑磨粒對(duì)內(nèi)孔的材料去除原理Fig.6 Schematic for material removal of inner hole with abrasives of different sizes

圖7 磨料介質(zhì)黏度-剪切速率曲線Fig.7 Curve of viscosity vs shear rate for abrasive media

表1 磨粒流加工循環(huán)次數(shù)Table 1 Cycle numbers in AFM process

TestNo．123456789Numberofcycles151515153060120120120

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 零件表面材料去除

為研究磨粒流加工中格柵表面材料去除過程，在格柵零件表面鉆取圓形盲孔作為磨粒流加工的基準(zhǔn)孔，采用激光共聚焦顯微鏡(VK-X250)觀測(cè)在磨粒流加工過程中基準(zhǔn)孔周邊同一位置的表面形貌變化，如圖8所示。

如圖8(b)所示，經(jīng)過15次加工循環(huán)后，零件表面的粘附金屬粉末以及一些較松動(dòng)的增材制造過程中形成的金屬球被去除，但格柵零件表面仍存在大量的金屬球牢固地聚集粘接在零件表面，零件表面有明顯的凹坑。如圖8(b)的局部放大圖所示，在粘結(jié)金屬球所占據(jù)的凹坑附近的磨粒劃痕明顯曲折、雜亂，這表明大、小粒徑磨粒持續(xù)對(duì)凹坑內(nèi)粘附金屬球的擠壓和滑擦導(dǎo)致金屬球松動(dòng)、脫離，逐步消除“球化效應(yīng)”導(dǎo)致的零件表面的金屬球團(tuán)簇聚集現(xiàn)象。磨粒流加工過程中不同粒徑磨粒對(duì)于零件表面凹坑內(nèi)粘附金屬球去除的示意圖如圖9所示，由磨料介質(zhì)與零件表面的擠壓和摩擦，大、小粒徑磨粒共同作用將零件表面松散層去除，圖中F1～F5為不同階段磨粒的受力情況。

如圖8(c)所示，經(jīng)過90次加工循環(huán)后，零件表面已經(jīng)呈現(xiàn)較為明顯的金屬光澤，團(tuán)簇聚集粘附在零件表面的金屬球已顯著減少，但零件表面仍存在肉眼可見的凹坑。

圖8(d)為經(jīng)過510次磨粒流加工循環(huán)后，格柵零件表面拋光效果?！扒蚧?yīng)”遺留的金屬球團(tuán)簇聚集所形成的凹坑已被去除，對(duì)應(yīng)位置的磨粒耕犁產(chǎn)生的劃痕較為平直，取得了良好的拋光效果，粗糙度降至Sa=1.8 μm。

在各拋光階段基準(zhǔn)孔及格柵表面輪廓曲線對(duì)比如圖10所示。圖中圓形深坑為磨粒流加工前所鉆基準(zhǔn)孔，采用共聚焦顯微鏡根據(jù)該基準(zhǔn)孔繪出對(duì)應(yīng)階段基準(zhǔn)孔及格柵表面輪廓曲線，兩條曲線間陰影部分即為材料去除。圖10(a)及圖10(b)表明，在磨粒流拋光的初始階段，基準(zhǔn)孔附近的材料去除以“削峰”為主，圖10(c)表明，在磨粒流拋光的中后階段，若不計(jì)及基準(zhǔn)孔對(duì)材料去除的影響，基準(zhǔn)孔附近各處材料去除較為均勻，對(duì)比圖8，“球化效應(yīng)”微小金屬球在零件表層形成的微小凹坑逐漸被去除。

圖8 磨粒流加工各階段零件表面形貌Fig.8 Surface topologies at different stages of AFM process

圖9 不同粒徑磨粒去除“球化效應(yīng)”原理 Fig.9 Schematics for removing “balling effect” with grains of different sizes

此外，格柵零件上選取6個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，考察每個(gè)加工階段后該點(diǎn)厚度變化以研究磨粒流加工過程中零件各位置的材料去除量，其中各點(diǎn)平均厚度(δ)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線如圖11所示。在初始階段曲線變化劇烈、零件材料去除率較高，該趨勢(shì)與傳統(tǒng)減材制造零件拋光的趨勢(shì)一致；大致在90次循環(huán)之后，曲線變化平緩、零件表面材料去除率逐步降低。

圖10 各階段表面輪廓線對(duì)比Fig.10 Comparisons of surface profiles at different stages

零件表面A、B兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的位置及其粗糙度(Sa)變化曲線如圖12所示。表面粗糙度值在初始階段下降較快，大致在90次循環(huán)之后下降速度顯著減緩，直至粗糙度無明顯變化。兩檢測(cè)點(diǎn)粗糙度變化趨勢(shì)十分接近，A、B兩觀測(cè)點(diǎn)的初始表面粗糙度分別為12.948 和14.101 μm，加工過程中二者差距不斷減小，最終面粗糙度趨于一致，磨粒流拋光增材制造零件表面質(zhì)量具有良好的一致性。

圖11 格柵零件平均厚度變化曲線Fig.11 Curve of average thickness change for grille part

圖12 格柵零件表面粗糙度變化曲線Fig.12 Curve of surface roughness change for grille part

3.2 格柵零件拋光效果

磨粒流加工前后零件整體加工效果對(duì)比、50倍倍率超景深顯微鏡下零件形貌對(duì)比、1 000倍共聚焦顯微鏡下剖面形貌對(duì)比如圖13所示。格柵由初始的暗色坑洼麻面被加工為光亮金屬平面，零件表面無明顯劃傷及加工缺陷、表面紋理均勻，各內(nèi)孔拋光較為均勻，零件表面粗糙度由初始的Sa=13～14 μm降至Sa=1.8 μm；觀察其截面形貌可知在增材制造過程中由于“球化效應(yīng)”和“粉末粘附”所形成的“波峰”已完全被去除，零件外表面平整，加工效果顯著，零件單邊材料去除量大于150 μm。

采用位相光柵干涉粗糙度輪廓儀(PGI 840)測(cè)得的零件表面粗糙度輪廓在磨粒流加工前后對(duì)比如圖14所示。格柵表面紋理幅值下降明顯，由初始的135 μm降至10 μm以下，表面紋理波動(dòng)頻率顯著減少，零件表面峰谷值均勻性顯著提升。

在50倍倍率超景深顯微鏡下在磨粒流加工前后的零件內(nèi)孔外輪廓形貌，以及沿內(nèi)孔中心軸線切開所觀察到的內(nèi)孔內(nèi)表面形貌如圖15所示，內(nèi)孔表面粉末粘附和小型球化松動(dòng)層已經(jīng)被去除，呈宏觀平整表面，且零件內(nèi)孔壁材料去除均勻。零件內(nèi)孔尺寸測(cè)量表明內(nèi)孔側(cè)壁的單邊去除量略大于250 μm，其材料去除量大于零件外表面去除量但仍處于同一量級(jí)。但與格柵外表面相比，孔內(nèi)表面仍分布著顯著的凹坑，加工后側(cè)壁表面殘留凹坑深度仍可達(dá)200 μm。原因在于內(nèi)孔壁面為增材制造層間邊緣結(jié)合處，故此處粗糙度明顯比外表面差，層間邊緣結(jié)合處的表面質(zhì)量仍然是增材制造需要解決的問題。

圖13 零件表面拋光加工效果Fig.13 Machining effect of outside surface of part

圖14 格柵零件表面粗糙度輪廓對(duì)比Fig.14 Comparison of surface roughness profiles of grille part

圖15 格柵零件內(nèi)孔面的加工效果Fig.15 Machining effect of internal surface of grille part

4 結(jié) 論

1) 用磨粒流加工方法可以有效拋光SLM增材制造過程固有的“粉末粘附”、“球化效應(yīng)”所導(dǎo)致的粗糙表面。經(jīng)磨粒流拋光后，AlSi10Mg鋁合金格柵零件表面粗糙度從初始的14 μm 降至1.8 μm，格柵呈現(xiàn)光亮金屬平面、表面紋理均勻，“球化效應(yīng)”遺留的金屬球團(tuán)簇聚集所形成的凹坑已被有效去除。

2) 磨粒流加工過程中各階段格柵表面形貌以及基準(zhǔn)孔附近表面輪廓的對(duì)比表明，對(duì)“球化效應(yīng)”的消除方式，在初始階段以磨粒對(duì)粘附金屬球的擠壓和滑擦導(dǎo)致金屬球松動(dòng)、脫離來減少金屬球團(tuán)簇為主，在加工中后期以磨粒耕犁作用消除金屬球團(tuán)簇聚集所形成的凹坑為主。

3) 用含有混合粒徑磨粒(80目和24目)的磨料介質(zhì)可以有效地實(shí)現(xiàn)格柵內(nèi)外表面一體化拋光。格柵表面以及菱形內(nèi)孔材料去除量分別是150和250 μm，并且菱形內(nèi)孔尖角處也得到了有效拋光。探索更多有效的含混合粒徑磨粒的磨料介質(zhì)配置方案實(shí)現(xiàn)增材制造金屬零件內(nèi)外表面一體化拋光，需要進(jìn)一步開展研究。

4) 增材制造零件內(nèi)孔表面一般為增材制造層間邊緣結(jié)合處、表面質(zhì)量比外表面差，內(nèi)孔拋光性能良好的磨粒流加工方法為此類零件內(nèi)孔拋光提供了有效途徑。

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Abrasiveflowmachiningofadditivelymanufacturedmetalgrillingparts

GAOHang*,LIShichong,FUYouzhi,WEIHaibo,PENGCan,WANGXuanping

KeyLaboratoryforPrecisionandNon-traditionalMachiningTechnologyofMinistryofEducation,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China

AdditiveManufacturing(AM)technologyisobviouslyadvantageousinproducingpartswithcomplexstructures.However,itisdifficultfortheas-builtsurfacesofAMpartstomeetthequalityrequirement,astheas-builtsurfacesaredeterioratedbytheinherentcharacteristicsofpowderadhesionandballingeffectofmetalAMtechnologies,e.g.SelectiveLaserMelting(SLM).TheAbrasiveFlowMachining(AFM)isusedtopolishtheouterandinnersurfacesofadditivelymanufacturedaluminumgrilleparts,withtheabrasivemediacontaininggritsofdifferentsizes.Thevariationsofsurfacetopology,materialremovalandsurfaceroughnessofthegrilleareconsideredbyanalysesofmeasurementsofmicro-topologyandprofilesduringtheAFMprocess.Theexperimentresultsshowthatclusteringofmoltenmetalballsduetotheballingeffectcanberemovedeffectivelyfromthegrillesurface,andthesurfaceroughnessisreducedfromtheinitial14μmtothefinal1.8μm,withprettygoodpolishingeffectbeingachievedfortheouterandinnersurfacesofthegrille.

AdditiveManufacturing(AM);ballingeffect;powderadhesion;aluminumalloygrille;abrasiveflowmachining;abrasivemachining

2017-03-02；Revised2017-03-13；Accepted2017-04-05;Publishedonline2017-04-271115

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10.7527/S1000-6893.2017.421210

V261.2+5

A

1000-6893(2017)10-421210-09

2017-03-02；退修日期2017-03-13；錄用日期2017-04-05；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

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國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體“精密制造理論與技術(shù)基礎(chǔ)研究”(51621064)； 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51475074)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(DUT15QY37)；裝備預(yù)研教育部聯(lián)合基金(6141A02022106)

*

.E-mailgaohang@dlut.edu.cn

高航， 李世寵， 付有志， 等． 金屬增材制造格柵零件磨粒流拋光J． 航空學(xué)報(bào),2017,38(10):421210.GAOH,LISC,FUYZ,etal.AbrasiveflowmachiningofadditivelymanufacturedmetalgrillingpartsJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(10):421210.

(責(zé)任編輯：李世秋)